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行业资讯 | 数据采集解决方案在功率半导体测试领域的应用

时间:2024-11-21 来源:

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功率半导体检测设备行业现状


功率半导体器件广泛应用于输电/储电系统、电动汽车、家用电器、铁路和工业设备等领域,通过提升能源效率来节约能源,减少二氧化碳排放。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等第三代半导体材料因其在更高电压、频率和温度下的优异性能,逐渐取代传统硅基器件。随着功率半导体器件向小型化、集成化、大功率和低能耗方向不断发展,对测试系统的要求日益趋严,测试设备必须满足大功率、低噪声、高精度和高速数据采集等性能要求,确保测试结果的准确性、可靠性和稳定性,同时拓展测试功能和适用场景,并降低测试成本。

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目前,全球功率半导体检测设备仍由国际厂商主导,其中功率半导体动态参数测试设备的主要生产厂商有泰瑞达(Teradyne)、是德科技(Keysight)等,且多以传统Si基器件作为测试对象。在国家《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策的通知》等政策的推动下,国内企业开始聚焦于新型功率器件的动态参数测试技术,如IGBT和SiC MOSFET等功率器件低寄生参数动态测试。国内功率器件测试公司在大功率器件的动态参数测试设备领域取得了显著进展,逐步实现了在功率半导体动态参数测试设备细分领域的国产替代。

▼功率半导体检测设备主要生产企业

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功率半导体器件的动态参数测试


动态测试系统是功率半导体器件研发和制造过程中重要的测试系统,其中动态测试指标对器件性能最为重要。参考IEC60747-8和IEC60747-9测试标准,二极管的反向恢复参数,栅极-漏极、栅极-源极及漏极-源极的电容效应等会影响开关速度、开关时间和开关损耗,因此需要精确测量相关特性参数,评估功率半导体器件的开关性能。

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▲IEC 60747-8:MOSFET 的开通和关断特性以及开关能量

双脉冲测试是广泛应用于MOSFET和IGBT等功率开关元件特性评估的一种测试方法。该测试不仅可以评估对象元件的开关特性,还可以评估体二极管和IGBT一同使用的快速恢复二极管(FRD)等的反向恢复特性。因此,该测试方法对导通时发生反向恢复特性引起损耗的电路的评估非常有效。双脉冲测试的基本电路图如下所示。第一个脉冲相对较宽,以获得一定的电流。同时第一个脉冲的下降沿作为关断过程的观测时刻,而第二个脉冲的上升沿则作为开通过程的观测时刻。

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▲双脉冲测试测试(DPT) 配置,电压/电流波形以及能量损耗


动态参数测试主要用于评估器件在开关过程中的性能,需要在器件的开关频率和瞬态条件下进行,重点在于分析器件在导通和关断瞬间的行为,动态性能的四个指标包括开关损耗、时间、过冲、开关速度。常见的动态参数包括:导通延迟时间、上升时间、关断延迟时间、下降时间、开通损耗、关断损耗、反向恢复电流、反向恢复时间、反向恢复能量、开关损耗等。动态测试的原理是在所需的工作条件下发射单脉冲或双脉冲,以便从测量的波形中提取器件上述开关特性相关参数。

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功率半导体测试中的数据采集模块


功率半导体测试设备通常由信号发生器、高压电源、驱动电路、电压探头/电流传感器、充放电模块、温控模块、数据采集模块等构成。测试系统对杂散电感、负载电感、共模干扰非常敏感,这也要求高速数据采集系统准确记录开关波形、反向恢复波形、串扰波形特征,尤其是各种震荡信号细节。


数据采集模块是半导体测试机中的重要组成部件之一。中科采象基于PXIe/PCIe架构推出了创新的功率半导体测试数据采集解决方案,保障采集信号数据的安全性与完整性,通过FPGA的波形数字化处理算法和模块化仪器技术,实现高速实时数据处理,并能灵活适配各种应用需求和场景。相比传统的示波器方案,主要优势有:


  1. 系统集成度更高,模块化设计体积小巧,易于集成。

  2. 传输速度更快,高速PCIe 3.0 x8 的传输速率为 64 Gbps,相比示波器千兆以太网接口1Gbps速率,数据传输速率可提高64倍。

  3. 数据处理方式更灵活,可通过板载FPGA进行自定义算法开发,全面优化测试过程,提高测量效率和精准度。

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